DE10359533A1 - Beschichtungsstoffe für Holzsubstrate - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft Zusammensetzungen zur Behandlung von Holzsubstraten. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Zusammensetzungen, die eine Farbveränderung und/oder ein Verwittern von Holzsubstraten im Wesentlichen verhindern. Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen und deren Verwendung schließt Beschichtungen von Holzfassaden, Fenstern, Türen, Holzverkleidungen, Holztreppen, Parkettböden und Holzmöbeln ein.
Description
- Anwendungsgebiet
- Die Erfindung betrifft Zusammensetzungen zur Behandlung von Holzsubstraten, die eine Farbveränderung der Holzsubstrate im wesentlichen verhindern. Die Erfindung betrifft insbesondere transparente oder semitransparente Beschichtungstoffe zur Beschichtung von Holz mit speziellen wetter- und lichtschützenden Eigenschaften, die nicht nur das Polymer vor photochemischer Degradation, sondern auch das Holz vor Verfärbung durch Sonneneinstrahlung schützen. Anwendungsgebiete sind u.a. die Beschichtungen von Holzfassaden, Fenstern, Türen, Holzverkleidungen, Holztreppen, Parkettböden und Holzmöbel.
- Werden als Beschichtungsstoffe für Holz transparente oder semitransparente Lacküberzüge angewandt, führt energiereiche Strahlung aus dem Sonnenspektrum zu Abbaureaktionen im Beschichtungsstoff. Aber auch das Lignin in der darunterliegenden Holzoberfläche wird durch Sonnenlichteinwirkung zunächst verfärbt und bei längerem Einfluss sogar zerstört. Dieses kann in Kombination mit Feuchte zum Ablösen des Beschchichtungsstoffes führen. Zur Lichtstabilisierung werden dem Beschichtungsstoff üblicherweise organische UV-Absorber, meist in Kombination mit Radikalfängern und Pigmenten zugegeben. Die organischen UV-Absorber haben den Nachteil, dass sie nur einen Teil des UV-Lichtspektrums filtern. Dem Fachmann ist jedoch bekannt, dass das Lignin photochemisch bis zu einer Wellenlänge von 500 nm und darüber hinaus geschädigt wird, was sich in einer Verfärbung äußert. Diese Verfärbung tritt auch bei diffusem Innenlicht in Wohnräumen auf. Die Folge ist ein unerwünschtes Nachdunkeln des Holzes unter dem meist transparenten polymeren Beschichtungsstoff.
- Als eine Lösung werden Nano-Metalloxide z.B. in der US-Patentschrift 5,817,160 beschrieben, wie z.B. TiO2, die die Eigenschaften besitzen, UV-Licht zu absorbieren, im sichtbaren Licht jedoch transparent zu sein. Der entscheidende Vorteil bei der Verwendung von Nano-Metalloxiden im Gegensatz zu den organischen UV-Absorbern ist, dass sie selbst kaum einem photochemischen Abbau ausgesetzt sind und damit als langzeitstabil gelten. Der Nachteil, insbesondere bei der Anwendung in Klarlacken, ist der noch unzureichende Schutz des Holzes im Spektralbereich von über 390 nm und das etwas opake Erscheinungsbild der damit hergestellten Beschichtungsstoffe, bedingt durch die restliche Streureflexion der Nano-Metalloxide. Eine solche Streureaktion ist aber nicht immer erwünscht. Eine andere Schutzmaßnahme gegen die schädigende UV-Strahlung ist die UV-Abschirmung. Das Wirkprinzip dieser Methode ist die komplette Abschirmung der UV-Strahlung durch Zusatz von UV-absorbierenden Eisenoxidpigmenten. Eisenoxidpigmente weisen aber den entscheidenden Nachteil auf, dass mit ihnen nur farbige Beschichtungsstoffe realisierbar sind, so dass sie z.B. zur Herstellung farbloser Beschichtungsstoffe nicht geeignet sind. Im Gegensatz zu den organischen UV-Absorbern und Lichtschutzmitteln, lassen sich Beschichtungsstoffe, die Eisenoxid enthalten, nur schwer mit UV-Licht vernetzen. Sie neigen außerdem nach nur wenigen Jahren zum Abblättern des Lackfilms und Auskreiden des Pigmentes.
- Die bisher eingesetzten UV-Absorber und Lichtschutzmittel in transparenten Beschichtungsstoffen für den Innenbereich sind nur in der Lage, die Holzvergilbung durch Lichteinfluss zeitlich zu verzögern. Nach wenigen Monaten ist in der Regel eine visuelle Vergilbung des Holzsubstrates zu beobachten. Wie dem Fachmann bekannt ist, liegt die Ursache hierfür darin, dass sich der Holzbestandteil Lignin bis zu Wellenlängen jenseits von 500 nm zu farbgebenden chinoiden Strukturen photochemisch umwandelt. Auch die Zugabe von Radikalfängern kann diesen Mechanismus nicht stoppen.
- Dem Fachmann ist weiterhin bekannt, dass UV-absorbierende Zusätze in Beschichtungen die Farbveränderung durch Sonneneinstrahlung im Holz verzögern, jedoch nicht verhindern können. Die UV-Durchlässigkeit zwischen 280 nm und 400 nm beträgt bei handelsüblichen Benzotriazolen, wie z.B. in
US 4,853,471 undDE 69719990 beschrieben, je nach Derivat etwa 8 % bis 12 %. Setzt man beschichtete Holzbauteile, die herkömmliche UV-Absorber, wie Benzotriazole oder Hydroxyphenyltriazin enthalten, Sonnenlicht aus, dunkeln sie in der Regel nach wenigen Wochen sichtbar nach. Selbst in Innenräumen, in denen nur künstliches Licht vorhanden ist, verzögern UV-Absorber auch in Kombination mit Radikalfängern (z.B. HALS (hindered Amine Light stabilizer)) nur kurzzeitig das Nachdunkeln des beschichteten Holzes, sie verhindern es jedoch nicht. - Bestimmte Benzotriazolderivate, wie sie im Folgenden mit der Formel (I) dargestellt sind, werden in der Patentschrift
DE 699 02 166 T2 erwähnt, in der sie zum Schutz von Polycarbonaten eingesetzt werden. Hier wird der Vorteil der chemischen Anbindung von dem UV-Absorber zu dem Polycarbonat hervorgehoben, was ein Herauspressen während des Extrusionsvorgangs unterbindet. Es werden 2-(2'-Hydroxy-5'methacryloxyethylphenyl)-2H-benzotriazol und 2-(2'Hydroxy-5'acryl-oxy-ethylphenyl)-2H-benzotriazol als vernetzende UV-Absorber erwähnt. Es wird nicht gelehrt, dass diese Verbindungsklasse in Schutzbeschichtungen für Holz verwendet werden kann. Die deutsche PatentschriftDE 696 01 188 T2 beschreibt einen strahlenhärtbaren Beschichtungsstoff für Thermoplaste, der Verbindungen der Formel (I) beinhaltet. Auch hier wird die photochemische Vernetzbarkeit des UV-Licht absorbierenden Moleküls hervorgehoben. Das U.S.-Patent 4,528,311 beschreibt ebenfalls eine Klasse von monomeren 2-Hydroxy-5-acryloxyphenyl-2H-benzotriazolen, die mit Vinylmo nomeren unter Erhalt thermoplastischer Harze copolymerisierbar sind. Aus diesen Copolymerisaten sind Gegenstände, wie z.B. Linsen, mit Ultraviolettlicht absorbierenden Eigenschaften gießbar. - Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zusammensetzung bereitzustellen, die als Beschichtungsstoff für Holzsubstrate eine Farbveränderung des Holzsubstrats über einen längeren Zeitraum verhindert, vorteilhaft erhöht diese Schutzbeschichtung auch die Wetterbeständigkeit des Holzsubstrats.
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung als Beschichtungsstoff für ein Holzsubstrat, die bei direkter oder indirekter Sonnenlichteinstrahlung eine Farbveränderung des Holzes weitgehend unterbindet. Die erfindungsgemäßen, bevorzugt polymeren, Beschichtungsstoffe üben dabei eine langfristige farbstabilisierende Wirkung auf das Holz aus. Erfindungsgemäß wird diese Wirkung durch Zugabe einer Verbindung gemäß der Formel (I) zu dem Beschichtungsstoff erzielt. Besonders bevorzugt ist dabei die Verbindung gemäß der Formel (II) 2-(2'-Hydroxy-5'methacryloxyethylphenyl)-2H-benzotriazol.
- Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungsstoffes für ein Holzsubstrat bereit, ein Verfahren zur Beschichtung von Holz, um ein Nachdunkeln des Holzsubstrats zu verhindern sowie die Verwendung der Verbindungen gemäß Formel (I) als witterungs- und lichtschützende Komponente in einer Beschichtung für Holzsubstrate.
- Überraschenderweise wurde gefunden, dass bei Verwendung von Verbindungen der Formel (I) in Beschichtungsstoffen, die direkt mit Holz in Berührung kommen, sich das Holz bei Sonneneinstrahlung aber auch bei künstlichem Licht im wesentlichen über einen grossen Zeitraum nicht verfärbt.
- Die Beschichtungsstoffe umfassen dabei bevorzugt polymere Beschichtungsstoffe, wie sie üblicherweise bei der Bearbeitung von Holzsubstraten Anwendung finden.
- Dabei kann die Beschichtung auch in das Holz selbst eindringen. Das Eindringen beschränkt sich üblicherweise auf die äußeren Bereiche des Holzsubstrats. Erfindungsgemäß wird daher die Aufgabe gelöst, indem man bevorzugt polymere Beschichtungsstoffe, z.B. luftrocknende Polyacrylate, Polyurethanacrylate, Polycarbonate, Polyester, Alkydharze mit (I) dotiert und direkt auf Holz appliziert. Wichtig ist hierbei der direkte Kontakt von (I) zum Holzsubstrat, damit die lichtschützende Wirkung zur Geltung kommt. Benzotriazol Derivat (I) wobei X ein Wasserstoff- oder Halogenatom bedeutet; R1 ein Wasserstoff oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen darstellt; R2 ist eine Alkylgruppe mit 2 bis 10 Kohlenstoffatomen und R3 ein Wasserstoffatom oder eine Methylgruppe. Der Gesamtanteil von (I) in der Beschichtung beträgt 0,01 bis 15 Gewichtsteile.
- Besonders vorteilhaft ist die Anwendung von 2-(2'-Hydroxy-5'-Methacryloxy-ethylphenyl)-2H-benzotriazol.
- Bei Verwendung von strahlenvernetzbaren Beschichtungsstoffen (z.B. unter Vernetzung von polymerisierbarem polyfunktionalen Acrylat) können geeignete Verbindungen gemäß der Formel (I) an diesen strahlenvernetzbaren Komponenten chemisch angekoppelt werden. Dies verhindert eine Migration und ein Auswaschen der Verbindung gemäß Formel (I) und erlaubt somit einen dauerhaften Schutz vor schädlicher Sonneneinstrahlung.
- Neben strahlenvernetzbaren Beschichtungsstoffenen können auch herkömmliche härtende Harze, wie sie üblicherweise in Beschichtungen für Holz, z.B. Lackfarben, verwendet werden, genutzt werden. Beispielhaft können hier genannt werden Acrylate, oxidativ vernetztende Alkyde, Einkomponenten-Polyurethanacrylate, Zweikomponenten-Polyurethanacrylate oder säurehärtende Lacke.
- Bevorzugt werden Zusammensetzungen aus für Holzsubstrate üblichen Lacken, die die Verbindung gemäß der Formel (I) enthalten.
- Die Verbindungen gemäß Formel (I) können dabei einzeln oder in Kombination von zwei oder mehreren in der erfindungsgemäßen Schutzbeschichtung enthalten sein. Bevorzugt liegt dabei diese Verbindung/diese Verbindungen in einer Menge von 0,01 bis 15 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge der Beschichtung vor. Bevorzugt liegt die Menge bei 0,1 bis 5 Gew.-%.
- Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen für einen polymeren Beschichtungsstoff können weiter übliche Additive enthalten.
- Die erfindungsgemäße Schutzbeschichtung kann weiterhin enthalten: Entschäumer, z.B. Polyethermodifzierte Dimethylpolysiloxane, silikonfreie schaumzerstörende Polymere, Mischungen paraffinbasischer Mineralöle und hydrophobe Komponenten.
- Als weitere übliche Additive können Oberflächenadditive genannt werden, z.B. Polyethermodifizierte Dimethylsiloxane, Polymethylalkylsiloxane, Alkylmodifizierte Polymethylsiloxane, Polyestermodifizierte Polydimethylsiloxane.
- Die erfindungsgemäße Zusammensetzung kann weiterhin ein Lösemittel, z.B. Butylglykol oder Butyldiglykol enthalten.
- Als weitere Additive kann ein Rheologieadditiv genannt werden, z.B. Polyhydrocarbonsäureamid oder modifizierter Harnstoff. Ein weiteres übliches Additiv ist ein Photoinitiator, z.B. alpha-Hydroxyketon, Bisacylphosphoniumoxid, Monoacylphosphinderivate. Als weitere UV-Absorber können genannt werden: Benzotriazolderivate, Benzotriazinderivate. Mögliche Radikalfänger schließen ein Bis(Tetramethylpi-peridyl)sebacat, Bis(pentamethylpiperidyl)sebacat.
- Diese oben genannten Additive können allein oder in Kombination zu der Zusammensetzung gegeben werden. Die Verbindungen der Formel (I) können auch als an eine Polymer-gekoppelte Emulsion zu der erfindungsgemäßen Zusammensetzung zugegeben werden.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Beschichtung um eine transparente bzw. semitransparente Beschichtung. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird dabei der Beschichtungsstoff als Grundierung genommen und ein beliebiger weiterer Beschichtungsstoff kann auf das Holzsubstrat aufgetragen werden. Diese weiteren, nicht im direkten Kontakt mit dem Holzsubstrat stehenden Überzüge können ebenfalls Verbindungen der Formel (I) enthalten.
- Alternativ kann die Verbindung der Formel (I) auch in einem Beizmittel zum Beizen des Holzsubstrats enthalten sein. Die Verbindung kann auch direkt als Lösung in einem geeigneten Lösungsmittel auf das Holzsubstrat aufgebracht werden.
- Als Holzsubstrat können beispielhaft genannt werden Holzfassaden, Fenster, Türen, Holzverkleidungen, Holztreppen, Parkettböden und Holzmöbel.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Behandlung von Holzsubstraten, um diese vor Verfärbung durch Sonneneinstrahlung und andere witterungsverursachte Veränderungen zu schützen, wird ein Beschichtungsstoff gemäß der vorliegenden Erfindung direkt auf das Holzsubstrat aufgetragen. D.h., die erfindungsgemäßen Verbindungen können im direkten Kontakt mit den Holzbestandteilen, z.B. dem Lignin treten.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Zusammensetzung enthaltend eine Verbindung der Formel (I) können diese Verbindungen in üblicher Art und Weise zu bekannten Schutzbeschichtungen für Holzsubstrate zugefügt werden.
- Gegenüber dem Stand der Technik haben die erfindungsgemäßen Beschichtungsstoffe den Vorteil, dass sie gegenüber dem Holzsubstrat auch im sichtbaren Spektralbereich einen hohen Lichtschutz ausüben und lichtstabile Beschichtungen darstellen. Das beschichtete Holz wird durch direktes oder auch indirektes Sonnenlicht nicht mehr verfärbt. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese Beschichtungssysteme auch durch die sehr wirtschaftliche Technik der Strahlenhärtung (z.B. durch UV-Strahlung) vernetzt werden können. Darüber hinaus sind die Beschichtungen bevorzugt transparent, so dass die Holzmaserung voll zur Wirkung kommt und nicht durch Pigmente verdeckt wird. Die Herstellungstechnologie der Schichten ist ökonomisch effizient und leicht umsetzbar.
- Im Folgenden werden Formulierungsbeispiele für die erfindungsgemäßen Beschichtungsstoffe aufgeführt.
- Beispiele
- Beispiel 1
UV-vernetzbares aliphatisches Polyurethanacrylat 75,7 Gew.-% Hexandioldiacrylat 17,0 Gew.-% Polyethermodifiziertes Dimethylpolysiloxan-Copolymer 1,8 Gew.-% (1-Hydroxycyclohexyl)-phenylketon 3,0 Gew.-% Bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)-phenylphosphinoxid 0,5 Gew.-% 2-(2'-Hydroxy-5'-methacryloxyethylphenyl)-2H-benzotriazol 2,0 Gew.-% - Beispiel 2
- Grundierung
Bisphenol-A-Epoxyacrylat 56,3 Gew.-% Tripropylenglykol-diacrylat 21,0 Gew.-% Polyethermodifiziertes Dimethylpolysiloxan-Copolymer 1,5 Gew.-% Benzophenon 2,0 Gew.-% (1-Hydroxycyclohexyl)-phenylketon 2,0 Gew.-% 2-(2'-Hydroxy-5'methacryloxyethylphenyl)-2H-benzotriazol 2,0 Gew.-% Bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)-phenylphosphinoxid 0,2 Gew.-% Talk 5,0 Gew.-% Cristobalit 10,0 Gew.-% - Transparenter Decklack
Tripropylenglykol-diacrylat 38,5 Gew.-% Bisphenol-A-Epoxyacrylat 31,0 Gew.-% Aromatisches Urethandiacrylat 12,0 Gew.-% Aminfunktionalisiertes Acrylat 3,0 Gew.-% 1-[4-(2-Hydroxyethoxy)-phenyl]-2-hydroxy-2-methyl-1-propan-1-on 2,5 Gew.-% -
Silicondiacrylat 1,0 Gew.-% Quarz 10,0 Gew.-% (1-Hydroxycyclohexyl)-phenylketon 2,0 Gew.-% - Beispiel 3
Oxidativ härtendes, acrylmodifiziertes, langöliges Alkydharz 36,0 Gew.-% Butylglykol 6,0 Gew.-% Kobalthaltiger Katalysator 0,8 Gew.-% Antihautmittel 0,2 Gew.-% 2-(2'-Hydroxy-5'-methacryloxyethylphenyl)-2H-benzotriazol 1,0 Gew.-% Wasser 56,0 Gew.-% - Beispiel 4
Verzweigtes, hydrophiles Polyesterpolyol 88,2 Gew.-% Hydrophiles aliphatisches polymeres HDI 3,7 Gew.-% Aliphatisches HDI-Trimer 3,7 Gew.-% Dibutylzinndilaurat 0,1 Gew.-% Polyethermodifiziertes Dimethylpolysiloxan-Copolymer 2,5 Gew.-% 2-(2'-Hydroxy-5'methacryloxyethylphenyl)-2H-benzotriazol 1,8 Gew.-% - Beispiel 5
- Ein Beschichtungsstoff gemäß Beispiel 3 wurde 1 Jahr lang einer Freilandwitterung ausgesetzt (südliche Richtung, 45° Neigung, Ort: Braunschweig, Deutschland).
- Der Beschichtungsstoff gemäß Beispiel 3 wurde mit insgesamt 250 g/m2 auf ein Holzsubstrat (Kiefernholz, unbehandelt) in zwei Schichten mittels Air-Mix-Spritzverfahren mit Zwischentrocknung aufgetragen.
- Ohne die erfindungsgemäße Zugabe der Verbindung gemäß Formel (I) in den Beschichtungsstoff hat sich der Farbwert des Holzes, ΔE (bestimmt mit CIE-L*a*b*-System nach DIN 6174) nach der Bewitterung um 6 bis 8 Werte verschlechtert, auch bei Verwendung von Beschichtungsstoffen, die konventionelle Benzotriazole und Lichtschutzmittel enthielten. In Gegensatz war mit der Verbindung gemäß Formel (I) die Verfärbung nahezu durch den Wert ΔE = 0 gekennzeichnet.
Claims (12)
- Zusammensetzung zur Behandlung eines Holzsubstrats umfassend eine Verbindung, dargestellt durch die allgemeine Formel (I) wobei X ein Wasserstoff- oder Halogenatom bedeutet; R1 ein Wasserstoff oder Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen darstellt; R2 ist eine Alkylgruppe mit 2 bis 10 Kohlenstoffatomen und R3 ein Wasserstoffatom oder eine Methylgruppe.
- Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung gemäß Formel (I) 2-(2'-Hydroxy-5'-Methacryloxyethylphenyl)-2H-benzotriazol ist.
- Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungen gemäß der Formel (I) in einer Menge von 0,01 bis 15 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge der Zusammensetzung vorliegen.
- Zusammensetzung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung transparent bzw. semitransparent ist.
- Zusammensetzung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Zusammensetzung eine Polymerkomponente aufweist und die Polymerkomponente mindestens eine ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyacrylat, Polyurethanacrylat, Polycarbonat, Polyester- und Alkydharz oder Copolymere von diesen.
- Zusammensetzung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Zusammensetzung mindestens ein weiteres Additiv ausgewählt aus der Gruppe Entschäumer, Oberflächenadditive, Lösemittel, Rheologieadditive, Photoinitiatoren, UV-Absorber und Radikalfänger enthält.
- Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung für Holzsubstrate gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtung als Additiv eine Verbindung gemäß der Formel (I) zugesetzt wird: wobei X ein Wasserstoff- oder Halogenatom bedeutet; R1 ein Wasserstoff oder Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen darstellt, R2 ist eine Alkylgruppe mit 2 bis 10 Kohlenstoffatomen und R3 ein Wasserstoffatom oder Methylgruppe.
- Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die zugesetzte Verbindung die Verbindung gemäß Formel (I) 2-(2'-Hydroxy-5'-Methacryloxyethylphenyl)-2H-benzotriazol ist.
- Verfahren zur Behandlung von Holz, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusammensetzung enthaltend eine Verbindung gemäß der Formel (I) direkt auf das Holz aufgetragen wird.
- Verfahren zur Behandlung von Holz gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss zum Schritt gemäß Anspruch 9 weitere Beschichtungen aufgetragen werden, diese können ebenfalls Verbindungen der Formel (I) enthalten.
- Verwendung der Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Behandlung von Holz.
- Verwendung der Verbindung gemäß der Formel (I): wobei X ein Wasserstoff- oder Halogenatom bedeutet; R1 ein Wasserstoff oder Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen darstellt, R2 ist eine Alkylgruppe mit 2 bis 10 Kohlenstoffatomen und R3 ein Wasserstoffatom oder Methylgruppe zur Farbstabilisierung bei Holzsubstraten.
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